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第五章：输入输出管理

约 1513 个字 预计阅读时间 5 分钟

概念

按传输速率分类：低速设备（键盘，鼠标等），中速设备，高速设备。

按信息交换的单位分类：

  • 块设备：传输快，可寻址
  • 字符设备：传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式

设备控制器

组成：

  • CPU 与控制器之间的接口
  • IO逻辑
  • 控制器与设备之间的接口

实现的功能：

  • 接受和识别CPU 发出的命令
  • 向 CPU 报告设备的状态
  • 数据交换
  • 地址识别

IO端口：设备控制器中的寄存器。

  • 寄存器独立编址
  • 统一编址：与内存地址统一编制

IO控制方式

程序直接控制方式：CPU 轮询检查，每次一个字。

中断驱动方式：CPU和IO可并行工作，每次一个字。

DMA方式（直接存储器存取，Direct Memory Access）

  • 每次一个块或多个快（连续）
  • 只在传送开始和结束时，需要CPU干预
  • 数据 不经过 CPU，直接读入内存。
  • 寄存器：数据计数器（DC，Data Counter），数据寄存器（DR，Data Register）

通道管理方式

  • 通道：专门负责IO的处理机
  • 每次一组块

软件层次结构

  1. 用户层软件：实现了与用户交互的接口
  2. 设备独立性软件：逻辑设备地址
  3. 设备驱动程序
  4. 中断处理程序
  5. 硬件

设备独立性

缓冲区

数据先输入到缓冲区，然后传送到用户区，再处理。

  • 缓冲区空时，只能输入
  • 缓冲区未空时，只能输出
  • 读入缓冲区，送入用户区，处理数据
  • 时间 = 不重合的部分 * 块数 + 重合的部分（一个）

单缓冲

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双缓冲

有两个缓冲区，并行的两个缓冲区，可以一个读入，一个传送。

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设备的分配与回收

设备的分类：独占设备，共享设备，虚拟设备。

一个「通道」控制多个「设备控制器」，一个设备控制器控制多个「设备」

数据结构

系统设备表（SDT，System Device Table）：记录系统中全部设备的情况

设备控制表（DCT，Device Control Table）：每个设备一张DCT，用于记录设备情况

控制器控制表（COCT，Controller of Control Table）：每个设备控制器一张COCT

通道控制表（CHCT，Chanel Control Table）：每个通道一张CHCT

设备分配的步骤

  1. 根据进程请求的「物理设备名」查找 系统设备表
  2. 根据 系统设备表 找到 设备控制表
  3. 根据 设备控制表 找到 控制器控制表
  4. 根据 控制器控制表 找到 通道控制表

增加一张「逻辑设备表」（LUT，Logical Unit Table）：将逻辑设备名转化为物理设备名

假脱机技术（SPOOLing）

为了缓和 CPU 和 IO 设备速度之间的矛盾，引入了 脱机输入/输入技术

假脱机技术（SPOOLing技术）：用软件模拟脱机技术。

  • 输入过程：输入设备 -> 输入缓冲区 -> 输入井
  • 输出过程：输出井 -> 输出缓冲区 -> 输出设备

用假脱机技术将「独占式设备」改造成「共享设备」

  • 不直接分配给进程设备，用户进程实际分配到的是 外存区，即虚拟设备
  • 在输出井中分配空间，暂存数据

磁盘

物理地址：可以用 （柱面号，盘面号，扇区号） 来表示一个磁盘块。

  • 盘面号：哪一层
  • 柱面号：某层的哪一圈
  • 扇区号：某层的某圈的那一扇

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磁盘的管理：磁盘初始化，分区，引导块，坏块。

磁盘调度算法

一次磁盘的读写

寻道时间：找到柱面（哪一圈）

  • 磁头臂启动时间为 s
  • 跨越一个磁道耗时 m，跨 n 个
  • 时间 \(= s + m * n\)

延迟时间：找到扇区（哪一扇）

  • 转一圈的时间为 \(\frac{1}{r}\) ,平均转半圈。

  • 平均延迟时间 \(= \frac{1}{2} * \frac{1}{r}\)

传输时间：写入数据的时间

  • 假设磁盘转速为 r ，写入的字节数为 b，每个磁道上的字节数为 N
  • 转一圈的时间为 \(\frac{1}{r}\) ,转 \(\frac{b}{N}\) 圈
  • 时间 \(= \frac{1}{r} * \frac{b}{N}\)

先来先服务（FCFS）

按先后顺序进行处理

最短寻找时间优先（SSTF）

先处理与当前磁头最近的磁道

优点：性能较好，平均寻道时间短

缺点：可能会饥饿

扫描算法（SCAN）

只有磁头移动到 最外侧磁道 的时候才能往内移动，移动到 最内侧磁道 的时候才能往外移动。

像扫描一样，从内到外，从外到内，周而复始。

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会饥饿

LOOK算法

扫面算法的改进，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就改变移动方向

循环扫描算法（C-SCAN）

规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端市不处理任何请求。

C-LOOK算法

循环扫描算法的改进，如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就改变移动方向

降低延迟时间的方法：读完一个扇区后需要一段时间处理才能读下一个

  • 交替编号：让编号相邻的 扇区 在物理上不相邻
  • 错位命名：让相邻 盘面 的扇区编号错位

固态硬盘（SSD）

原理

基于闪存技术 Flash Memory，属于电可擦除ROM，即 EEPROM

读写性能特征

以 页（page）为单位读写，以 块（block）为单位“擦除”

支持随机访问，读快、写慢。

磨损均衡技术

将 “擦除” 平均分布在各个块上，以提升使用寿命

  • 动态磨损均衡：写入数据时，优先擦除次数少的
  • 静态磨损均衡：让老旧的闪存块承担储存任务，新的闪存块承担写任务。
Created: April 24, 2026
Last update: April 24, 2026

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